Puubiomassan hankinnan päästöt - onko sijainnilla merkitystä? Eero Jäppinen Lappeenrannan teknillinen yliopisto, Mikkeli ForestEnergy 2020 vuosiseminaari 9.10.2013 Joensuu
Taustaa Noin 50 % Suomen metsähakepotentiaalista on jo käytössä (n. 57 PJ/n.115 PJ) Käyttö kuitenkin lisääntyy mm: vanhoissa CHP laitoksissa, joissa jo käytetään puuta CHP laitoksissa, joissa korvataan esim. kivihiiltä polttoainejalosteita valmistavissa uusissa laitoksissa Jos kansalliset tavoitteet metsähakkeen osalta aiotaan saavuttaa (jopa 90 PJ 2020), olisi käyttö noin 80% potentiaalista On selvää, että kysynnän ja tarjonnan alueellinen epätasapaino kasvaa Kysymykset: 1) Onko käyttöpaikan sijainnilla suhteessa raaka-ainevaroihin merkitystä päästömielessä? 2) Jos on, niin miten paljon?
Mihin vaiheisiin sijainti voi vaikuttaa päästöjen kannalta? Hakkuutähteet Pienpuu Kannot Kaato ja kasaus Nosto -kertymä -puun/kannon koko Raakaaineen hankinta Lannoitus Muutokset maaperän hiilitaseissa Metsäkuljetus -lannoitustarve? -pohjoisessa hajoaa hitaammin -tieverkon tiheys Jalostus Haketus/murskaus Kuljetus Varastointi Kaasutus Torrefionti ja pelletöinti -tienvarressa, terminaalissa, laitoksella -määrä, laatu -tieverkon ominaisuudet -rautatiekuljetukset -iso hankinta kaukaa, varastointia hakkeena? -sääolot ym. ym. Pyrolyysiöljyn tuotanto -hyötysuhteet (integroitu vai erillislaitos) Kuljetus Kuljetus Loppukäyttö CHP laitos Lauhdevoimalaitos CHP laitos Lämmöntuotanto -laitoksen ominaisuudet Korvattavat prosessit tai lopputuotteet CHP tuotanto turpeella Verkkosähkö CHP tuotanto hiilellä Lämmöntuotanto öljyllä -Mitä todellisuudessa korvataan?
Menetelmistä Paikkatietoanalyysi raaka-ainevarojen sijainti ja laatu kuljetusmatkat, ml. tieverkon ominaisuudet (kolme eri tieluokkaa) rautatiekuljetusmahdollisuudet metsäkuljetusmatkat terminaalien mahdolliset sijaintipaikat Elinkaarimallinnus huomioi myös taustaprosessit perustapaus: EU RED optiot: maaperän hiilitaseet (hiiilivelka), varastointi, lannoitus aikaperspektiivi epävarmuustekijät Tapaustutkimuksia kymmeneen kohteeseen useita eri skenaarioita/käyttökohde 0.36-7.2 PJ/vuosi (50 000 1 milj. m3)
GHG emissions [gco 2 MJ -1 ] Hankintaketjun päästöt 4 3 Transportation 2 Comminution Forwarding 1 Lifting of stumps 0 Harvesting residues Energy wood Stumps Harvesting Southern Finland residues Energy wood Northern Finland Stumps Felling and bunching Laskettu EU RES direktiivissä esitettyä menettelyä noudattaen Huom: tässä kuvaajassa kuljetusten päästöt ovat karkea keskiarvo useista tapaustutkimuksista. Käytännössä kuljetusten päästöt riippuvat mm. hankittavasta määrästä, raaka-aineen saatavuudesta käyttökohteen läheisyydestä, tieverkon ominaisuuksista jne.: 0.4 to 1.8 gco 2 eq/mj Etelä-Suomessa 0.6 to 2.5 gco 2 eq/mj Pohjois-Suomessa
GHG emissions [gco 2 MJ -1 ] Hankintaketjun päästöt -ml. maaperän hiilitaseen muutokset 45 40 35 30 Soil carbon stock changes Fertilization 25 20 15 Transportation Comminution 10 Forwarding 5 Lifting of stumps 0 Harvesting residues Energy wood Stumps Harvesting Southern Finland residues Energy wood Northern Finland Stumps HUOM: tässä kuvaajassa hiilitaseen muutos on laskettu 100 vuoden aikajänteellä Päästö edustaa kahden skenaarion erotusta ilmakehään vapautuneessa hiilessä: a) materiaali poltetaan hetkellä nolla, tai b) jätetään metsään sadaksi vuodeksi lahomaan luonnostaan. Perustuu hajoamisnopeuksiin kuten esitetty Repo ym. toimesta (2012).
GHG emissions [gco 2 eqmj -1 ] Hankintaketjun päästöt -ml. haketetun materiaalin varastoinnista aiheutuvat mahdolliset päästöt 90 80 70 60 50 40 30 20 10 Error bars represent the range of possible emissions from the storage of comminuted feedstock for 6 months; tick marks: 40% and 60% moisture content (MC) 60% MC 40% MC Soil carbon stock changes Fertilization Transportation Comminution Forwarding Lifting of stumps 0 Harvesting residues Energy wood Stumps Harvesting Southern Finland residues Energy wood Northern Finland Stumps Felling and bunching HUOM: varastoinnin päästöt edustavat vain hyvin epävarmaa väliä, jolla 6 kk varastoinnin päästöt voivat olla. Normaalisti varastointiaika huomattavasti lyhyempi päästöjen voidaan olettaa olevan pieniä Ei ole olemassa kattavaa dataa johtopäätöksien vetäminen mahdotonta. Em. vaihteluväli perustuu Wihersaaren (2005) esittämiin arvioihin.
Hydro GHG emissions [ gco 2 eq MJ -1 ] Peat Average FI Average EU-27 Coal Coal Heavy fuel oil Coal Bioenergia vs. fossiiliset Suomessa - Perustapaus (EU RED) 300 250 Harvesting residues, Southern Finland Harvesting residues, Northern Finland 200 Energy wood, Southern Finland 150 Energy wood, Northern Finland Stumps, Southern Finland 100 Stumps, Northern Finland 50 Reference systems 0 CHP Condensing power Gasification Torrefied pellets Pyrolysis CHP ja lämmöntuotanto 94-98% khk-säästöt Lauhdesähkön osalta tilanne ei ole yksiselitteinen
Hydro GHG emissions [ gco 2 eq MJ -1 ] Peat Average FI Average EU-27 Coal Coal Heavy fuel oil Coal Bioenergia vs. fossiiliset Suomessa - maaperän hiilitase huomioitu, 100 v 300 250 200 150 100 50 Harvesting residues, Southern Finland Harvesting residues, Northern Finland Energy wood, Southern Finland Energy wood, Northern Finland Stumps, Southern Finland Stumps, Northern Finland Reference systems 0 CHP Condensing power Gasification Torrefied pellets Pyrolysis Vaikka maaperän hiilitase huomioidaan, silti saavutetaan khk-säästöjä 100 vuoden aikana.
GHG emission savings [%] GHG emission savings [%] Bioenergia Suomessa vs. EU kestävyyskriteerit - Nyt: -35% (vain nestemäisille); 2018: -60% 100 % 90 % 80 % 70 % 60 % 50 % 40 % 30 % 20 % 10 % 0 % EU RED CHP Condensing power Gasification Torrefied pellets Pyrolysis Harvesting residues, Southern Finland Harvesting residues, Northern Finland Energy wood, Southern Finland Energy wood, Northern Finland Stumps, Southern Finland Stumps, Northern Finland 100 % 90 % 80 % 70 % 60 % 50 % 40 % 30 % 20 % 10 % 0 % Hiilivelka huomioitu, 100 v CHP Condensing power Gasification Torrefied pellets Pyrolysis Harvesting residues, Southern Finland Harvesting residues, Northern Finland Energy wood, Southern Finland Energy wood, Northern Finland Stumps, Southern Finland Stumps, Northern Finland
Johtopäätökset Kysymykset: 1) Onko käyttöpaikan sijainnilla suhteessa raaka-ainevaroihin merkitystä päästömielessä? On. 2) Jos on, niin miten paljon? Riippuen sijainnista ja hankittavasta määrästä, voi hankintaketjun päästöissä olla jopa 8-kertaisia eroja. Hieman laajentaen: Kokonaisuuden kannalta ei kuitenkaan ole kovinkaan suurta merkitystä, missä raaka-aine käytetään. Tämä tarkoittaa sitä, että suomaisen metsäenergian käyttö on perusteltua päästömielessä, vaikka uudet käyttökohteet sijaitsisivat vähemmin optimaalisissa paikoissa.
Joitain huomioon otettavia seikkoja Aikaperspektiivi 100 vs. esim. 20 vuotta Hiilivelka moninkertainen (2-5 x) jos aikajänne 20 v. (Repo ym. 2012) Suurin suhteellinen ero hakkuutähteille Etelä-Suomessa Huomioidaanko hiilivelka joskus, jos huomioidaan, niin miten? GWPt CH 4 N 2 O 100 yr 25 298 20 yr 72 289 varastoinnin päästöt Saatavuus Riippuu päätehakkuista (hakkuutähteet ja kannot) Pienpuulla suurin potentiaali, ja isoimmat kustannukset Entäpä Suomen sijainti maapallolla? Globaalisti sokeri-, tärkkelys- ja öljykasvit yhteensä yli 60% biomassan teollisesta energiakäytöstä. Tuotantoketjun päästöt kertaluokkaa suuremmat: sokeri ja tärkkelys: 24-43 gco 2 eq/mj öljykasvit: 37 68 gco 2 eq/mj suomalainen metsähake pärjää vertailussa hyvin (~3 gco 2 eq/mj) Jos aikajännettä lyhennetään, niin tilanne muuttuu.
Very likely not in force before the EU parliament elections in May 2014. Plant size: above 1MW el or 2.5MW th. GHG savings: minimum 60%. Soil carbon stock (carbon debt) issues not included. No ILUCs either. No word about use of stumps. Default values given (among many others) for harvesting residues and roundwood: 6 gco 2 eq/mj (transportation distance under 500km) Cultivation not included for forest residues, but included for roundwood. Small-diameter energy wood from thinnings: is it roundwood or residues? Where is the line between high value roundwood and energy wood? NOTE: the Commission should, if appropriate, consider corrective action, including the possibility to restrict the use of high value roundwood as a feedstock for electricity and heating/cooling production. Primary forest biomass shall be obtained from sustainably managed forests The Commission will later decide what is sustainably managed certification?, mandatory forest management plans? Time horizon 100 years for emitted GHGs (GWPs CH 4 23 25, N 2 O 296 298) New fossil comparator values: electricity 198 184 CO 2 eq/mj, heat 87 77 gc0 2 eq/mj.
Key references: Presentation is mainly based on: Jäppinen E, Korpinen OJ, Ranta T, Laitila J (2014). Greenhouse gas emissions of forest bioenergy supply and utilization in Finland, Renewable and Sustainable Energy Reviews 29 : 369-382. Jäppinen E, Korpinen O-J, Ranta T (2013). GHG Emissions of Forest-Biomass Supply Chains to Commercial-Scale Liquid-Biofuel Production Plants in Finland (2013). GCB Bioenergy, published online 18 February 2013. Jäppinen E, Korpinen O-J, Ranta T (2013). The Effects of Local Biomass Availability and Possibilities for Truck and Train Transportation on the Greenhouse Gas Emissions of a Small-Diameter Energy Wood Supply Chain. Bioenergy Research, 6:166 177. Jäppinen E, Korpinen O-J, Ranta T (2011). Effects of Local Biomass Availability and Road Network Properties on the Greenhouse Gas Emissions of Biomass Supply Chain. ISRN Renewable Energy, Volume 2011, Article ID 189734, 6 p. Storage emissions: Wihersaari (2005). Evaluation of greenhouse gas emission risks from storage of wood residue, Biomass and Bioenergy 28 (2005): 444-453. Decay rates of forest biomass: Repo A, Känkänen R, Tuovinen J-P, Antikainen R, Tuomi M., Vanhala P, Liski J (2012). Forest bioenergy climate impact can be improved by allocating forest residue removal. GCB Bioenergy 2012, 4: 202 212. EU legislation, methodology, sustainability criteria and recommendations: EC Directive 2009/28/EC of the European Parliament and of the Council of 23 April 2009 on the promotion of the use of energy from renewable sources and amending and subsequently repealing Directives 2001/77/EC and 2003/30/EC; 2009, and EC Report from the Commission to the Council and the European Parliament on Sustainability Requirements for the use of solid and gaseous biomass sources in electricity, heating and cooling, European Commission, SEC (2010) 65, SEC (2010) 66; 2010. Proposal draft for sustainability criteria for solid and gaseous biomasses: unofficial draft. Some explanatory notes Emissions related to soil carbon stocks changes There is no standard methodology for soil carbon stock related emission calculations regarding forest biomass energy use. Discussion in on-going in the EU and scientific community. The same approach (single event, fixed time horizon) is used in the US in the Massachusetts Renewable Energy Portfolio Standard (RPS) for forest residues, which, as far as the authors of this presentation are aware, is the only legislation currently in force anywhere that addresses the issue of SCS changes due to forest residue collection and energy use. In Mass. RPS the Time Horizon is 20 years, during which 50% GHG savings must be achieved relative to a fossil comparator value. Also, GHG calculation for EW differs from that for forest residues, and energy use of stumps is not approved at all. Storage emissions The emissions depend on factors such as (but not limited to) ambient temperature, precipitation, the size of the stockpile, particle sizes, the rate of oxidation of CH 4 into CO 2 in the top layer of the stockpile, storage time, and compaction rate. The work of Wihersaari (2005), was a theoretical estimation based on biowaste composting and properties of forest chips.